石墨烯导电沥青混凝土制备及性能研究

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我国在冬季低温情况下存在大量道路结冰现象,对于沥青混凝土路面而言,道路结冰会极大的威胁行车安全和舒适性,对国民经济也会产生较大不利影响,因而对道路的融雪化冰研究具有极大的意义。在众多融雪化冰方案中,导电沥青混凝土具备除冰过程不影响交通、应用方便、时效性高、绿色环保等优点,是目前的研究热点。参考目前的研究成果,发现导电沥青混凝土的导电相材料大多数集中在石墨、钢纤维、碳纤维上,这些材料存在掺量过大、导电效果不佳、对路用性能负面影响较大等不足,对导电沥青混凝土在融雪化冰中的应用产生了较大的限制。因此,本文基于石墨烯和碳纤维复掺作为导电相材料,在合理的掺量下制备出路用性能和导电性能、电热性能都较为优异的导电沥青混凝土,从而保证我国寒冷地区道路在冬季正常使用,解决道路结冰对交通运输造成的不利影响。首先,本文对导电相材料、集料、沥青等原材料进行了性能试验,通过对比采用不同导电相材料制备的导电沥青混凝土导电性能,从而确定了复掺石墨烯和碳纤维作为导电相材料的导电方案。并对石墨烯和碳纤维在导电沥青混凝土中的分散性进行了研究,基于导电相材料在不同沥青混凝土结构类型中的分布特征,确定了采用AC-20作为导电沥青混凝土级配的方案,通过试验进一步确定了矿料级配、导电相材料掺量、最佳沥青用量,并对导电沥青混凝土的拌合和成型方式进行了对比研究,最终制备出了电阻率为4.63Ω·m的导电沥青混凝土。其次,文章对制备得到的导电沥青混凝土高温性能、低温性能和水稳定性能进行了试验研究,结果表明其各种路用性能均较普通沥青混凝土更好,说明其能够较好的应用于工程实践。再次,采用了与实际应用情况更为符合的二电极法对导电沥青混凝土的马歇尔试件和车辙板试件进行了导电性能研究,并研究了导电沥青混凝土的导电机理,对石墨烯和碳纤维对导电沥青混凝土导电性能的影响机理进行了分析,认为接触效应和隧道效应对导电性能的影响最为显著,碳纤维主要通过接触效应构成导电网络,石墨烯的加入可以显著提高导电网络的接触效应和隧道效应,从而使导电沥青混凝土具备优异的导电性能。最后对导电沥青混凝土的电热性能进行了室内模拟试验,试验结果表明,制备得到的导电沥青混凝土具备较好的电热性能,特别是在输入功率较大情况下,可以非常高效的融雪化冰。文章还提出了提高导电沥青混凝土融雪化冰效率的有效方式,并对导电沥青混凝土路面结构进行了设计,以使其具备更高的应用价值。
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